Композиты широко используют в авиа- и ракетостроении — из них делают детали двигателей, створки шасси, обшивку и даже скафандры космонавтов. В промышленной сфере растет спрос на развитие методов прогнозирования изменений свойств композита в зависимости от изменений в структуре. Сегодня программы для построения моделей структуры композитов моделируют без учета технологических изменений в процессе изготовления деталей. То есть происходит разрыв между моделированием и воплощением в жизнь. Ученые Пермского Политеха разработали способ прогнозирования упругих свойств композита (например, сопротивление материала растяжению или сжатию) до его создания на практике.
Композиты представляют собой соединение двух и более материалов с разными свойствами, которые в сочетании приводят к появлению нового — с более совершенными качествами. Есть природные композиты, например, гнездо птицы из глины и соломы, а есть созданные человеком — искусственные. Искусственные композиты состоят из матрицы (полимерной основы), наполненной усиливающими нитями, которые отличаются высокой прочностью и жесткостью. Меняя состав матрицы, наполнителя и их соотношение, получают композиты с разными физико-механическими свойствами. Так появляются легкие (деталь может быть до 80 процентов легче металлической), прочные и устойчивые к коррозии материалы.
Ученые ПНИПУ исследовали пространственно-армированный композит, он отличается от других видов композитов характером ориентации нитей наполнителя. Для определения значений параметров данного материала политехники провели томографические исследования структуры образцов и проанализировали их микрошлифы (образцы со специально обработанной поверхностью для выявления микроструктуры).
Полученные данные легли в основу таблицы с геометрическими параметрами композита (к таковым относятся, например, расстояние между центрами нитей основы, площадь поперечного сечения прошивочной нити). Ученые определили среднее значение, стандартное отклонение и коэффициент вариации каждого из параметров. На основе полученных данных создали геометрическую модель фрагмента композита и разработали специальный алгоритм моделирования. С помощью этой модели построили уже реальный фрагмент композита.
В процессе прогнозирования характеристик материала ученые использовали метод локального приближения, т.е. рассчитывали характеристики композита на его фрагменте, содержащем одну характерную ячейку элемента структуры в центре и окруженную одним ближайшим слоем таких же ячеек.
Результаты, полученные политехниками, оказались точнее на 4-9 процентов результатов расчета композита без учета реальных параметров структуры. Диапазон разброса характеристик не превысил 1,3 процента. Это значит, что даже если прогнозировать лишь одну из нескольких характеристик, то, вероятно, остальные характеристики, которые можно сравнить с экспериментальными значениями, будут отличаться практически настолько же (до 1,3 процента), насколько отличается первое вычисленное значение.
«Использование геометрической модели пространственно-армированного композита с учетом реальной структуры в совокупности с численным методом локального приближения позволяет получать более точные характеристики свойств материала», – подводит итог Павел Писарев, кандидат технических наук, и.о. заведующего кафедрой «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Разработанный учеными Пермского Политеха метод позволяет добиться более точного прогнозирования упругих свойств композитных материалов. Это поможет упростить и ускорить изготовление деталей с необходимыми свойствами, снизить расходы на их производство в авиа- и ракетостроении.
На основе разработанных моделей возможно проведение дальнейших исследований. Например, изучение влияния разброса геометрических параметров материала на его механические характеристики, прогнозирование нелинейного деформирования и оценка прочности композитов при сложном нагружении.
Исследование опубликовано в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника». Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».